廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)研究熱點(diǎn)與前沿態(tài)勢(shì)分析:基于CiteSpace的大數(shù)據(jù)知識(shí)圖譜分析

周朱夢(mèng)，李丹陽，吳華山，靳紅梅①

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210095；3.江蘇省有機(jī)固體廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210095)

水熱轉(zhuǎn)化(hydrothermal conversion)是指在密封的壓力容器中,以水為溶劑，在高溫和高壓條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)[1-3]。水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)的最初用途是生產(chǎn)生物燃料[4]，20世紀(jì)30年代以后該技術(shù)被應(yīng)用于能源、材料與環(huán)境等諸多領(lǐng)域，并取得了一系列研究成果[5]。廢棄生物質(zhì)是指植物、動(dòng)物和微生物在其生產(chǎn)和加工利用過程中產(chǎn)生的有機(jī)殘?bào)w[6]，主要包括農(nóng)林生產(chǎn)與加工中產(chǎn)生的植物類廢棄物(如作物秸稈、林業(yè)剩余物等)[7-8]、畜牧業(yè)和漁業(yè)產(chǎn)生的動(dòng)物類廢棄物(如畜禽糞便)[9]、食品行業(yè)產(chǎn)生的廢棄物(如廚余垃圾、菌渣和甘蔗渣等)[10-12]以及生活垃圾、市政污泥[13-14]等。全球廢棄生物質(zhì)產(chǎn)生量巨大，而我國(guó)廢棄生物質(zhì)產(chǎn)生量居世界首位[15-16]，對(duì)其進(jìn)行無害化處理和資源化利用是實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”和減量化的重要措施。水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)由于不受原料含水率的限制，特別適合用于含水量較高的廢棄生物質(zhì)處理。其優(yōu)點(diǎn)是可以有效去除或鈍化原料中的有毒有害物質(zhì)[17]，產(chǎn)生的固體可作為吸附材料[18]、燃料以及肥料[19]，液體可作為生產(chǎn)甲烷等清潔能源的原料[20-21]，不僅可提高原料的轉(zhuǎn)化效率，而且能將低劣的廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為更加高值和安全的功能產(chǎn)品。因此，水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)研究有望成為未來廢棄生物質(zhì)資源多元多級(jí)利用的重要方向。

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)于水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)處理廢棄物生物質(zhì)開展了大量的研究，但其全球尺度上的研究發(fā)展趨勢(shì)和動(dòng)態(tài)尚不清晰。引文空間(CiteSpace)是一款挖掘科學(xué)發(fā)展中蘊(yùn)含的潛在知識(shí)，并將知識(shí)結(jié)構(gòu)、規(guī)律和分布可視化的分析工具[22]，在實(shí)際應(yīng)用中科學(xué)有效且簡(jiǎn)單易用，具有豐富而美觀的可視化效果，被廣泛應(yīng)用于探尋一個(gè)學(xué)科或知識(shí)域的研究熱點(diǎn)和前沿態(tài)勢(shì)。CiteSpace目前主要用于作者共被引與作者合作網(wǎng)絡(luò)分析、關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)分析、基于知識(shí)圖譜的研究前沿與研究熱點(diǎn)分析[23]。該研究以近20 a來國(guó)內(nèi)外發(fā)表的關(guān)于廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化的研究論文為對(duì)象，利用CiteSpace軟件對(duì)其熱點(diǎn)主題及發(fā)展演變進(jìn)行知識(shí)圖譜分析，旨在為廢棄生物質(zhì)資源生態(tài)安全利用提供參考[24]。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源為中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(CNKI)和外文科技期刊數(shù)據(jù)庫(Web of Science)收錄的研究論文。以“主題”為檢索項(xiàng)，中文數(shù)據(jù)庫以“水熱”“濕解”和“生物質(zhì)”為檢索詞，外文數(shù)據(jù)庫以“TS=hydrothermal conversion AND waste biomass (主題為水熱轉(zhuǎn)化和廢棄生物質(zhì))”“TS=hydrothermal liquefaction AND waste biomass(主題為水熱液化和廢棄生物質(zhì))”“TS=hydrothermal treatment AND waste biomass(主題為水熱處理和廢棄生物質(zhì))”和“TS=hydrothermal AND agricultural biomass(主題為水熱處理和農(nóng)業(yè)生物質(zhì))”為檢索詞，以模糊匹配的方式對(duì)主題進(jìn)行檢索，檢索范圍為全部期刊，時(shí)間范圍為2000年1月—2019年12月。基于以上條件，CNKI數(shù)據(jù)庫共檢索到文獻(xiàn)1 147篇，Web of Science數(shù)據(jù)庫共4 082篇。

1.2 研究方法

該研究運(yùn)用CiteSpace 5.5軟件作為文獻(xiàn)計(jì)量分析與可視化工具，該軟件在科學(xué)發(fā)展理論范式下整合了共引分析、信息論、圖論、統(tǒng)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)算法等理論與科學(xué)方法，可對(duì)選定領(lǐng)域的文獻(xiàn)信息進(jìn)行分析，解析特定研究領(lǐng)域演化的關(guān)鍵路徑及知識(shí)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；通過對(duì)數(shù)據(jù)聚類形成一系列可視化的知識(shí)圖譜，這些圖譜都可以用來揭示科學(xué)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀乃至變化情況，進(jìn)而用于前沿分析、領(lǐng)域分析、科研評(píng)價(jià)等[25]。高頻詞分析、突現(xiàn)詞分析、詞共現(xiàn)(引)圖譜分析是探尋學(xué)科領(lǐng)域研究熱點(diǎn)和前沿的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞是揭示論文主要內(nèi)容的重要方式，是研究主題的高度概括和凝煉[26]。高頻詞即出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞，頻次越高，說明相關(guān)的研究成果數(shù)越多，研究?jī)?nèi)容的集中性就越強(qiáng)。中心性被用于測(cè)量一個(gè)點(diǎn)在多大程度上位于圖中與之聯(lián)系的點(diǎn)的中心位置，數(shù)值越大意味著該點(diǎn)起到的中介作用越高，在圖譜中的地位越重要[27]。突現(xiàn)詞是基于突現(xiàn)檢測(cè)算法識(shí)別的在特定時(shí)間內(nèi)驟增的專業(yè)術(shù)語，根據(jù)突現(xiàn)詞的進(jìn)入和退出時(shí)間，可以識(shí)別研究的前沿及其演進(jìn)態(tài)勢(shì)[28]。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CiteSpace軟件中，時(shí)間段設(shè)定值為2000—2019年，時(shí)間間隔設(shè)置為1 a,節(jié)點(diǎn)類型設(shè)定為作者、機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵詞，選擇標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定TopN=50，即每年文獻(xiàn)中被引頻次最高的前50個(gè)節(jié)點(diǎn)，其余設(shè)定為默認(rèn)值。研究首先通過關(guān)鍵詞進(jìn)行詞共現(xiàn)(引)圖譜分析，然后對(duì)高頻詞及其聚類圖譜的結(jié)果進(jìn)行解讀，揭示近20 a來國(guó)內(nèi)外在廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究方面的熱點(diǎn)領(lǐng)域和熱點(diǎn)主題，進(jìn)一步通過突現(xiàn)詞分析來解析廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)研究前沿的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)CNKI檢索出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)選擇Refworks格式導(dǎo)出到CiteSpace中，通過CiteSpace的格式轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換成軟件能識(shí)別分析的格式；通過Web of Science數(shù)據(jù)庫檢索出來的基本數(shù)據(jù)選擇全記錄、純文本格式導(dǎo)出。為提高檢索出文獻(xiàn)的相關(guān)性，進(jìn)一步對(duì)初步檢索得到的文獻(xiàn)進(jìn)行人工清洗，刪除與主題不相關(guān)的文獻(xiàn)，最終獲得有效文獻(xiàn)分別為600篇(CNKI)和2 360篇(Web of Science)，作為該研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。用CiteSpace軟件自帶的主題詞剔除及合并功能，將意思接近的主題詞進(jìn)行合并處理，同時(shí)剔除對(duì)聚類分析起干擾作用的檢索詞，并進(jìn)行年度發(fā)文數(shù)量、合作發(fā)文量及高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計(jì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 文獻(xiàn)數(shù)量與年度分布

根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)理論，文獻(xiàn)數(shù)量的年度分布統(tǒng)計(jì)可以在一定程度上反映出該領(lǐng)域的研究水平和發(fā)展程度。從文獻(xiàn)檢索數(shù)量(圖1)可以看出，全球范圍內(nèi)關(guān)于廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化的研究可分為3個(gè)階段，即緩慢增長(zhǎng)期(2000—2005年)、快速增長(zhǎng)期(2006—2018)、小幅下降期(2019年)；而我國(guó)相關(guān)研究起步較晚，大致可分為萌芽期(2005—2010年)、快速增長(zhǎng)期(2011—2016年)、下降期(2017—2018年)和激增階段(2019年)。農(nóng)業(yè)廢棄物是廢棄生物質(zhì)的重要來源，在CNKI和Web of Science數(shù)據(jù)庫中以此為原料的水熱轉(zhuǎn)化研究占研究論文總數(shù)的比例均在4%～35%范圍內(nèi)，且近20 a來相關(guān)研究總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)(2017年除外)?？傮w上看，近20 a來關(guān)于廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化的中英文研究論文均呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，說明水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)在廢棄生物質(zhì)處理和利用方面受到越來越多的重視。但同時(shí)，廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)也面臨著諸多難題，主要是成本較高，產(chǎn)業(yè)化的難度較大，這可能是近年來相關(guān)研究增長(zhǎng)放緩甚至略微下降的主要原因。而對(duì)于農(nóng)業(yè)廢棄物這類生物質(zhì)而言，水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)可以生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品，有利于其無害化和資源化需求，因此研究熱度持續(xù)增加。

2.2 核心作者與機(jī)構(gòu)分析

共現(xiàn)圖譜分析可以清晰地展示核心作者、發(fā)文機(jī)構(gòu)及其合作關(guān)系(圖2)。基于CNKI數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，核心作者主要以團(tuán)隊(duì)的形式進(jìn)行合作，多數(shù)作者之間的關(guān)系線大于4，僅少數(shù)作者沒有關(guān)系線；發(fā)文機(jī)構(gòu)與核心作者所屬單位相對(duì)應(yīng)，但其合作關(guān)系基本呈單線狀形式，僅少數(shù)核心機(jī)構(gòu)存在合作。排名前20位的核心作者論文發(fā)表情況詳見表1，可以看出發(fā)文最多的是中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院的董向元、郭淑青教授團(tuán)隊(duì)，其次是華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王賢華教授團(tuán)隊(duì)，在廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化方面,國(guó)內(nèi)核心作者的中文發(fā)文數(shù)量比較平均。

基于Web of Science數(shù)據(jù)庫的分析發(fā)現(xiàn)，核心作者的共現(xiàn)程度更高，之間的合作關(guān)系也更為緊密(圖2)。從表1可知，發(fā)文最多的是伊利諾伊大學(xué)的張?jiān)摧x(ZHANG Y H)教授團(tuán)隊(duì)，其次是東京工業(yè)大學(xué)的YOSHIKAWA K團(tuán)隊(duì)，再次是中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的劉志丹(LIU Z D)教授團(tuán)隊(duì)。

表1 廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化領(lǐng)域主要作者發(fā)文情況Table 1 The main authorsof the literatures in the field of hydrothermal conversion of waste biomass

2.3 研究熱點(diǎn)

2.3.1熱點(diǎn)主題分析

標(biāo)識(shí)某一領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的指標(biāo)主要有2個(gè)：一是出現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵詞[29]，二是關(guān)鍵詞的中心性?；贑NKI數(shù)據(jù)庫分析得到廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究的關(guān)鍵詞及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次從大到小依次為生物質(zhì)、生物油、水熱液化、水熱碳化、超級(jí)電容器、木質(zhì)素、纖維素、吸附、水熱碳、微藻和玉米秸稈(表2)。中心性反映了研究領(lǐng)域的核心內(nèi)容，其中生物質(zhì)的中心性最高，為0.43;其次是生物油，為0.23；再次是水熱炭化和水熱液化，分別為0.27和0.18。綜上可以看出，廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究的熱點(diǎn)主題是生產(chǎn)生物油作為能源利用，而原料主要為微藻、玉米秸稈、纖維素類和滸苔等廢棄生物質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，微藻水熱轉(zhuǎn)化后可得到含氧量低、熱值高的生物油[30-31]，是化石燃料良好的代替品；為了降低微藻液化油的黏度以及N和S含量，將微藻生物油以四氫萘為供氫劑，在400 ℃、1 MPa初始氦氣壓力、w為10%的Ru/C(釕催化劑，5%Ru)反應(yīng)條件下進(jìn)行改性,油產(chǎn)率大幅度提高，最高可達(dá)55.6%[32]。同時(shí)，在藻基生物油理化性質(zhì)的表征方法上也開展了一些研究，并提出了藻基生物燃料存在的問題及發(fā)展方向[33-34]。部分學(xué)者探究了麥稈、草坪草、馬糞和梧桐葉等木質(zhì)纖維素類生物質(zhì)在不同濕解條件下的固、液相產(chǎn)物特性變化，發(fā)現(xiàn)原料進(jìn)入液體產(chǎn)物中的碳份額增多，有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化率均超過了95%，可用作土壤改良劑或有機(jī)肥料，為土壤提供豐富的有機(jī)質(zhì)[35-37]。張波[38]創(chuàng)新性地開展了玉米秸稈和多氫原料(高密度聚乙烯)催化共熱解研究，提高了烴類在產(chǎn)物中的相對(duì)含量，為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化源頭補(bǔ)氫提供了技術(shù)支撐。可見，水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)的不斷發(fā)展推動(dòng)了其在農(nóng)業(yè)廢棄物領(lǐng)域的應(yīng)用，特別是在新型肥料生產(chǎn)、氣化制H2、液化產(chǎn)酸以及生物柴油等方面的研究尤為突出[39-40]。

基于Web of Science數(shù)據(jù)庫分析得到廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究的關(guān)鍵詞及其關(guān)聯(lián)關(guān)系(表2)。排名前20位的關(guān)鍵詞中，activated carbon(活性炭)的中心性最高，為0.13；其次是waste water(廢水)，為0.09；再次為bio-oil(生物油)，為0.08。這說明全球廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究的熱點(diǎn)主題是水熱轉(zhuǎn)化的固體炭基產(chǎn)物(即水熱炭)、液體產(chǎn)物及生物油生產(chǎn)等方面，與國(guó)內(nèi)的研究熱點(diǎn)有所差異。除研究微藻、秸稈、畜禽糞便、食物殘?jiān)壬镔|(zhì)制取生物油的產(chǎn)率及能量密度外[41-44]，有研究進(jìn)一步評(píng)估了水熱炭中重金屬的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[45]，提高了水熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)物后續(xù)利用的安全性。除碳素轉(zhuǎn)化外，LU等[46]首次系統(tǒng)研究了水熱轉(zhuǎn)化過程畜禽糞便中氮化合物的轉(zhuǎn)化特征。為了拓寬水熱轉(zhuǎn)化液體產(chǎn)物的利用途徑，SHEN等[47]利用水熱轉(zhuǎn)化的液體產(chǎn)物進(jìn)行微生物電解池處理頑固性水熱液化廢水(HTL-WW)，使難降解化合物得到有效去除；WU等[48]利用水熱技術(shù)對(duì)微藻進(jìn)行預(yù)處理，提高微藻產(chǎn)甲烷量。MKEL等[49]、TRIYONO等[50]、ZHAO等[51]對(duì)造紙污泥、城市固體廢物和污泥進(jìn)行水熱處理制備固體燃料，拓寬了水熱技術(shù)原料的選擇范圍。

表2 廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化的高頻關(guān)鍵詞Table 2 High frequency keywordsin the literatures for hydrothermal conversion of waste biomass

2.3.2研究熱點(diǎn)聚類分析

借助 CiteSpace 軟件的關(guān)鍵詞分析功能，對(duì)廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類分析，根據(jù)繪制出的可視化時(shí)間線知識(shí)圖譜(圖3)，揭示廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究的演變過程。由圖3可見，基于CNKI數(shù)據(jù)庫的廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化高頻關(guān)鍵詞聚類分為5個(gè)類別，即水熱碳化、生物油、甲烷、重金屬和炭微球。由圖3和圖1結(jié)合分析可知，CNKI數(shù)據(jù)庫在2004—2010年期間相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量較少，主要研究主題為#0水熱炭化、#2甲烷及#3重金屬，相關(guān)主題研究一直持續(xù)至今；2011—2016年間，研究主題趨于多元化，新興主題有#1生物油、#4炭微球，在此期間出現(xiàn)的多個(gè)高頻關(guān)鍵詞說明廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究被高度重視；2017—2019年間相關(guān)主題的高頻關(guān)鍵詞數(shù)量較少，說明廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究放緩。

基于Web of Science數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵詞聚類分為5個(gè)類別，為bioethanol(生物乙醇)、hydrothermal carbonization(水熱炭化)、supercritical water(超臨界水)、hydrothermal liquefaction(水熱液化)和hydrothermal synthesis(水熱合成)(圖3)。由圖3和圖1結(jié)合分析可知，2004—2007年Web of Science數(shù)據(jù)庫側(cè)重于水熱炭化研究，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，研究主題為#1 hydrothermal carbonization(水熱炭化)和#2 supercritical water(超臨界水)；2008—2016年間，文獻(xiàn)數(shù)量、研究主題和關(guān)聯(lián)性快速增長(zhǎng)，總體分為3個(gè)主題：#0 bioethanol(生物乙醇)、#3 hydrothermal liquefaction(水熱液化)和#4 hydrothermal synthesis(水熱合成)，各聚類間連線密集、關(guān)系復(fù)雜，表明此階段研究較為活躍；2017—2019年間研究不活躍，主要集中在燃料(bio-fuel)、熱解(pyrolysis)等方面。

對(duì)圖中數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究主題大同小異，都側(cè)重于生物油、燃料、水熱炭方面。

具體來看，在生物油轉(zhuǎn)化及特性方面，畜禽糞便富含蛋白質(zhì)，玉米秸稈含大量的碳水化合物，當(dāng)兩者混合經(jīng)過水熱轉(zhuǎn)化后，蛋白質(zhì)中的氨基化合物會(huì)與碳水化合物中的羰基化合物發(fā)生美拉德反應(yīng)，提高生物原油的產(chǎn)量，其最高產(chǎn)率為34.4%，熱值達(dá)40.3 MJ·kg-1[52]。秸稈類物質(zhì)主要由半纖維素和纖維素構(gòu)成，利用水熱技術(shù)制備生物油，會(huì)導(dǎo)致生物原油中氧化物過高，進(jìn)而影響生物原油品質(zhì)。通過微波、催化劑聯(lián)合水熱處理可使有機(jī)組分不斷發(fā)生脫水、脫羧基反應(yīng)，同時(shí)芳香小分子化合物和輕質(zhì)油類化合物逐漸溶解進(jìn)入液相或者發(fā)生氣化反應(yīng)，使O/C比下降[53]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高生物油產(chǎn)率和品質(zhì)的目的，其熱值可達(dá)35.2～37.2 MJ·kg-1 [54]，同時(shí)還能抑制固體殘?jiān)男纬蒣55]。

在生物炭的高值利用方面，水熱炭相互貫通的孔結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的含氧表面使其表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。張傳濤等[73]利用核桃殼水熱炭經(jīng)高溫和KOH活化后，形成了具有較高比表面積和貫通層次孔結(jié)構(gòu)的活性炭，同時(shí)核桃殼水熱炭表面的含氧官能團(tuán)在一定程度上可以改變活性炭的表面化學(xué)性質(zhì)，改善其對(duì)應(yīng)電極材料的表面濕潤(rùn)性，進(jìn)而降低電解液離子在孔隙內(nèi)的傳遞與擴(kuò)散阻力，提高活性炭的比表面積和表面利用率[74]，從而改善電極材料的電化學(xué)性能，此種方法制備出的核桃殼活性炭比電容可達(dá)200 F·g-1以上，1 000次循環(huán)后比電容保持率達(dá)92.4%，具有很好的循環(huán)性能。

2.3.3研究熱點(diǎn)的階段性演進(jìn)分析

采用突出詞(即發(fā)表文獻(xiàn)中驟增的關(guān)鍵術(shù)語)對(duì)廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究進(jìn)行前沿分析，確定研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)。對(duì)Web of Science數(shù)據(jù)庫的突現(xiàn)詞進(jìn)行分析，可以看出關(guān)于廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化的研究熱點(diǎn)主要有4個(gè)領(lǐng)域(表3)。

表3 基于Web of Science數(shù)據(jù)庫的突現(xiàn)詞圖譜Table 3 Emerging word map based on the Web of Science database

一是對(duì)于水熱轉(zhuǎn)化原料的研究。包括cellulose(纖維素)、biomass(生物材料)、wood(木材)、wheat straw(小麥秸稈)、agricultural residue(農(nóng)業(yè)廢棄物)、algae(藻類)和municipal solid waste(城市固體廢物)。目前，有關(guān)廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化的研究中，藻類、水葫蘆等憑借其光合作用效率高、生長(zhǎng)速率快、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、生物產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)，常作為可再生清潔生物質(zhì)能源產(chǎn)生物油[75-77]。秸稈、木材等纖維素、木質(zhì)素含量豐富，而且在世界范圍內(nèi)廣泛存在，充分利用可生產(chǎn)高品質(zhì)生物質(zhì)燃料，不僅能解決資源短缺問題，也能避免廢棄農(nóng)作物副產(chǎn)品處理不當(dāng)?shù)沫h(huán)境問題[78-79]。近年來，各學(xué)者也開始研究畜禽養(yǎng)殖糞污及廚余垃圾等材料[80-81]。

二是對(duì)水熱反應(yīng)機(jī)理的研究。包括hot compressed water(熱壓縮水)、supercritical water(超臨界水)、hydrolysis(水解)、decomposition(分解)、hydrothermal gasification(熱解氣化)、biomass gasification(生物質(zhì)氣化)、oxidation(氧化)、kinetics(動(dòng)力學(xué))等突現(xiàn)詞，突現(xiàn)率最高可達(dá)12.029。生物質(zhì)水熱處理技術(shù)根據(jù)溫度可以分為水熱炭化(180～250 ℃)、水熱液化(180～250 ℃)和水熱氣化(250～400 ℃)[82]。生物質(zhì)中各種成分會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生各種反應(yīng)。以纖維素為例，當(dāng)溫度低于180 ℃時(shí)，體系中的水自電離產(chǎn)生氫離子對(duì)半纖維素水解起催化作用，將半纖維分解成低聚糖和單糖[83]，隨著溫度的升高，在熱和氫離子的作用下，纖維素和木質(zhì)素也開始水解[84]。

三是對(duì)水熱處理技術(shù)應(yīng)用的研究。包括high temperature(高溫)、thermochemical conversion(熱化學(xué)轉(zhuǎn)化)、fermentation(發(fā)酵)、hydrothermal pretreatment(水熱預(yù)處理)和enzymatic hydrolysis(酶法水解)。水熱技術(shù)除了用于生產(chǎn)各種固液相產(chǎn)品外，還可以作為預(yù)處理手段與其他技術(shù)進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)化。對(duì)菌渣、生活垃圾進(jìn)行水熱預(yù)處理可以明顯改善其干燥性、脫水性，而且溶解性化學(xué)需氧量(SCOD)有了明顯提高，使其具有更高的產(chǎn)甲烷潛力[85-86]。

四是對(duì)水熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的研究。包括hydrogen production(制氫)、acetic acid(乙酸)、ethanol(乙醇)、coal(煤)和solid fuel(固體燃料)。根據(jù)不同的水熱處理溫度，可以分別得到固、液、氣3種產(chǎn)物，對(duì)于不同產(chǎn)物的應(yīng)用前文已詳細(xì)說明，此處不再贅述。

未來廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究的重點(diǎn)方向除了繼續(xù)擴(kuò)大水熱轉(zhuǎn)化生物質(zhì)原料選擇范圍，分析水熱反應(yīng)過程中各常見重金屬和營(yíng)養(yǎng)元素的遷移變化規(guī)律外，還應(yīng)考慮其他有毒有害物質(zhì)的生成與轉(zhuǎn)化機(jī)理，優(yōu)化水熱轉(zhuǎn)化工藝條件以制備更加安全的產(chǎn)品；應(yīng)著重探究提高固、液相產(chǎn)品質(zhì)量的工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物高值化利用，同時(shí)對(duì)整個(gè)水熱工藝進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)，為產(chǎn)業(yè)提供一個(gè)完善的水熱工藝評(píng)價(jià)體系與標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)水熱技術(shù)的推廣和應(yīng)用。此外，目前關(guān)于整個(gè)水熱轉(zhuǎn)化工藝的研究仍比較片面，學(xué)者間缺乏合作，未來應(yīng)加強(qiáng)不同領(lǐng)域的合作，以完善水熱轉(zhuǎn)化工藝，降低處理成本，提升產(chǎn)品品質(zhì)。

3 結(jié)論

運(yùn)用CiteSpace 5.5軟件對(duì)廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量和可視化分析，得出以下結(jié)論：

(1)近20 a來水熱轉(zhuǎn)化對(duì)廢棄生物質(zhì)處理和利用方面的研究快速增加，中英文發(fā)文量的走勢(shì)基本一致。全球范圍內(nèi)廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化發(fā)文量可分為緩慢發(fā)展期(2000—2007年)、快速增長(zhǎng)期(2008—2016年)和小幅下降期(2017—2019年)，其中農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化的中英文研究論文均呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，我國(guó)學(xué)者整體貢獻(xiàn)較為突出。

(2)全球廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化研究的熱點(diǎn)主題總體包括四大塊：圍繞所使用的原料展開的研究，主要集中在微藻、秸稈、畜禽糞便、食物垃圾等廢棄生物質(zhì)方面；圍繞水熱產(chǎn)物的研究，包括固體炭基產(chǎn)物、液體產(chǎn)物以及生物油，可用作吸附材料、土壤修復(fù)劑、燃料和肥料等；圍繞水熱轉(zhuǎn)化過程的研究，包括各種元素、組分變化及機(jī)理研究；水熱預(yù)處理技術(shù)，通常作為預(yù)處理手段與其他技術(shù)進(jìn)行配合，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)高效轉(zhuǎn)化。

(3)目前關(guān)于廢棄生物質(zhì)水熱轉(zhuǎn)化的研究熱點(diǎn)尚集中在水熱轉(zhuǎn)化原料、水熱反應(yīng)機(jī)理、水熱轉(zhuǎn)化技術(shù)優(yōu)化及水熱轉(zhuǎn)化產(chǎn)物方面。未來還應(yīng)更加關(guān)注基于目標(biāo)產(chǎn)物的水熱轉(zhuǎn)化條件優(yōu)化，在提升產(chǎn)品品質(zhì)及安全性的同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)水熱轉(zhuǎn)化全過程的科學(xué)評(píng)價(jià)。